Un recente articolo del Wall Street Journal a firma di M.Mills, sul tema delle “Energie rinnovabili”  ha evidenziato una serie di considerazioni legate all’approvvigionamento dei materiali necessari alla costruzione dei dispositivi necessari alla produzione delle energie rinnovabili, pale eoliche e pannelli solari, ed alla conservazione della energia così prodotta, le batterie. Il tutto parte dalla considerazione, del tutto evidente, che il nome “Energie rinnovabili” sia sbagliato visto che i macchinari che le generano, turbine e pannelli fotovoltaici, sono costruiti con materiali non rinnovabili, che nel tempo possono esaurirsi e la cui estrazione e fabbricazione richiedono il consumo di idrocarburi.

Costruire abbastanza turbine eoliche per fornire metà dell'elettricità mondiale richiederebbe quasi due miliardi di tonnellate di carbone per produrre cemento e acciaio, insieme a due miliardi di barili di petrolio per produrre i materiali compositi delle pale. La sola produzione di un pannello solare, tenuto conto in particolare del silicio che contiene, genera più di 70 chili di CO2. Con un numero di pannelli fotovoltaici che da qui in avanti aumenterà del 23 per cento su base annua, significa che le installazioni solari fotovoltaiche produrranno 10 GW di elettricità supplementare ogni dodici mesi, rigettando nell’atmosfera 2,7 miliardi di tonnellate di carbonio.

L’International Renewable Energy Agency, IRENA, ha calcolato che il raggiungimento nel 2050 degli obbiettivi degli accordi di Parigi sul clima comporterà lo smaltimento dei vecchi pannelli che rappresentano più del doppio del tonnellaggio di tutti gli attuali rifiuti di plastica globali, analoghi problemi sta riscontrando la Germania dove la fine degli incentivi dal 2020 renderà molti impianti antieconomici e decisamente difficili da smaltire come anche gli USA, secondo quanto riporta l’NPR (National Public Radio) statunitense in un servizio sul suo sito, dove si stima che nei soli Stati Uniti saranno più di 720.000 le tonnellate di materiale costituito pressoché da pale che dovranno essere smaltite nei prossimi 20 anni.

Tornando alle problematiche dell’approvvigionamento va considerato che una singola batteria per auto elettrica pesa anche 500 kg e la sua fabbricazione richiede lo scavo, lo spostamento ed il trattamento di oltre 225 t di materie prime da qualche parte sul pianeta. La costruzione di una turbina eolica richiede oltre 700 tonnellate di acciaio, 2.500 tonnellate di calcestruzzo e 45 tonnellate di plastica. L'energia solare richiede ancora più cemento, acciaio e vetro per non menzionare altri metalli. Secondo le previsioni dell'Agenzia internazionale dell'energia, IEA, le estrazioni a livello globale di argento e indio saliranno rispettivamente del 250% e del 1200% nei prossimi due decenni per fornire i materiali necessari alla costruzione dei pannelli solari necessari a raggiungere gli obbiettivi di Parigi.

Se i veicoli elettrici sostituiranno le auto convenzionali, la domanda di cobalto e litio aumenterà di oltre 20 volte senza considerare le batterie utilizzate per lo stoccaggio dell’energia prodotta da reti eoliche e solari. L'anno scorso uno studio voluto dal governo olandese ha affermato che :

"La crescita esponenziale della capacità di produzione globale di energia rinnovabile non è possibile con le tecnologie odierne e la produzione attuale di metallo”.

Aspetto non secondario del problema è che gran parte delle miniere di questi materiali è localizzata in nazioni con pratiche di lavoro oppressive : la Repubblica Democratica del Congo produce il 70% del cobalto grezzo del mondo e la Cina controlla il 90% della raffinazione del cobalto, il Kazakistan dispone di consistenti le riserve di ferro, manganese e rame. L'Istituto per un futuro sostenibile, UTS, di Sydney avverte

"che una corsa globale alla ricerca di questi minerali potrebbe portare ad avviare attività estrattive in alcune aree selvagge remote che hanno mantenuto un'alta biodiversità perché non sono ancora state disturbate".

Le tecnologie "verdi" inoltre dovranno competere per questi materiali con molti altri importanti settori come l'edilizia, la chimica, l'industria dei metalli o l’elettronica. Ad esempio, il 17% di gallio è utilizzato nel settore solare ed il resto viene utilizzato in circuiti integrati, LED, leghe, batterie e magneti. A questo proposito, l’atteso boom di IoT, Internet of things, produrrà un concorrente importante per molti metalli essenziali nel settore delle energie rinnovabili. L'energia eolica richiede importanti quantità di elementi di terre rare come il neodimio e il disprosio per costruire magneti permanenti per generatori elettrici ed alcuni studi hanno dimostrato che la domanda di entrambi gli elementi potrebbe aumentare del 700% e 2600%, rispettivamente, nel prossimi decenni. Un altro esempio è il caso del lantanio utilizzato nei componenti elettronici, nella fibra ottica e nei sensori di illuminazione.

Per questo motivo, la domanda di questi materiali utilizzati anche in altri settori deve essere presa in considerazione nell'analisi della disponibilità delle risorse necessarie a raggiungere gli obiettivi previsti e le informazioni circa i consumi dei medesimi nei settori concorrenti è difficilmente reperibile e di incerta affidabilità.

Altro aspetto critico riguarda i veicoli elettrici che necessitano di batterie potenti, leggere e convenienti. Le attuali batterie ricaricabili agli ioni di litio sono relativamente compatte e stabili ma sono ancora troppo ingombranti e costose per un uso diffuso. Le loro prestazioni sono migliorate costantemente negli ultimi vent’anni : la quantità di energia immagazzinata in un pacco da un litro è più che triplicata ed i costi sono diminuiti di 30 volte fino ad arrivare a circa $ 150 al chilowattora (kWh). Analisi statistiche convenzionali per i costi di produzione, utilizzate in molte proiezioni, prevedono irrealisticamente che i prezzi della batterie scenderanno sotto i $ 100 / kWh entro il 2030, spingendo i veicoli elettrici ad una sostanziale parità di prezzo con i veicoli a motore a combustione interna. Modelli realistici prevedono invece che i prezzi delle batterie al cobalto-nichel-manganese (NMC) scenderanno solo a circa $ 124 / kWh entro il 2030, sicuramente molto più economici di oggi, ma ancora troppo alti per competere con i veicoli tradizionali principalmente a causa degli alti prezzi di cobalto, nichel e litio.

Batterie abbastanza potenti per un'auto elettrica (50–100 kWh) pesano ancora circa 500 chilogrammi e occupano 500 litri di spazio. I miglioramenti prestazionali però stanno progressivamente livellandosi e la quantità di carica che può essere immagazzinata si avvicina al massimo teorico e la crescita del mercato prevista non renderà inferiori i prezzi anzi i materiali utilizzati, in particolare i metalli rari come il cobalto e il nichel sono sempre più scarsi e costosi. L'aumento della produzione di batterie ha quasi quadruplicato i prezzi all'ingrosso del cobalto negli ultimi due anni passando da $ 22 a $ 81 per chilogrammo, analogamente anche la domanda mondiale di litio è in aumento e con essa i prezzi.

D'altro canto, gli attuali tassi di riciclo di alcuni di questi materiali sono quasi trascurabili perché il più delle volte i processi di riciclaggio non sono redditizi. È il caso dell'indio, del gallio, del cadmio e del tellurio nei moduli solari. Tuttavia il riciclo ha un enorme potenziale di miglioramento, compresi i processi di pre-riciclaggio per recuperare i metalli; i tassi di riciclaggio attuali sono ancora molto bassi : meno del 3% del litio contenuto in una batteria viene riciclato e solo il 42% della massa totale della batteria scarica può essere riciclata con la tecnologia attualmente disponibile. Ed anche se almeno il 95% del peso di un'auto può essere riciclato o recuperato, questo copre solo i metalli più comuni come ferro, alluminio e rame.

La forte domanda e i prezzi stanno già incoraggiando alcuni produttori a cercare scorciatoie e violare normative ambientali e di sicurezza. Ad esempio, in Cina, la polvere rilasciata dalle miniere di grafite ha danneggiato le colture e inquinato i villaggi e l'acqua potabile. In Africa, alcuni proprietari sfruttano i bambini lavoratori e risparmiano sui dispositivi di protezione come i respiratori. Le miniere artigianali, dove i minerali vengono estratti a mano, spesso infrangono le leggi. Alcune aziende, tra cui la BMW, seguono rigide politiche per verificare i propri fornitori di cobalto altri come la Volvo hanno recentemente annunciato l’implementazione  della “blockchain traceability” per il cobalto utilizzato nelle batterie delle auto elettriche. Molti no.

Il cobalto è costoso perché è raro e molto ricercato. Spesso viene ricavato come sottoprodotto dell'estrazione del rame e del nichel e talvolta deve essere ulteriormente trattato per separarlo da altri metalli. Pochi depositi minerali sono abbastanza concentrati da valere la pena di essere estratti. La maggior parte dei depositi contiene solo lo 0,003% del metallo; mentre è necessario più dello 0,1% per raggiungere prezzi da $ 100 a $ 150 per kg . Pertanto, solo 10⁷ tonnellate di cobalto su 1015  tonnellate sono potenzialmente disponibili.

Minerali ricchi di cobalto si trovano in poche aree del pianeta. La Repubblica Democratica del Congo (RDC) ha fornito oltre la metà (56%) delle 148.000 tonnellate di metallo estratto in tutto il mondo nel 2015 . Gran parte di questo va in Cina, che detiene scorte da 200.000 a 400.000 tonnellate. Questo indica che l'influenza della Cina sulla catena di approvvigionamento globale del cobalto è sostanzialmente aumentata in questi ultimi anni a seguito di investimenti ed acquisizioni all'estero. L'Australia ospita il 14% delle riserve mondiali ma deve ancora sfruttarle appieno. Il cobalto può anche essere estratto dal fondo del mare, ma in questi casi l'attività sarebbe troppo costosa, ecologicamente ed economicamente.

Allo stesso modo anche la produzione di nichel è dominata da una dozzina di nazioni. Nel 2017, Indonesia, Filippine, Canada, Nuova Caledonia, Russia e Australia insieme hanno fornito il 72% dei 2,1 milioni tonnellate estratte a livello globale. Di questo, meno di un decimo è andato alle batterie; il resto è stato usato principalmente in acciaio ed elettronica. Il nichel è più economico da estrarre del cobalto : lo si ottiene attraverso una serie di reazioni con idrogeno e monossido di carbonio ma solo 10⁸ su 1015 tonnellate sono le riserve di nichel potenzialmente sfruttabili.

Anche il litio, per la produzione di batterie agli ioni di litio per auto elettriche, presenta stime delle riserve e delle risorse spesso contraddittorie ed alla domanda se i tassi di produzione annua possano soddisfare una domanda crescente raramente viene data una adeguata spiegazione. I modelli matematici utilizzati per determinare quali scenari siano realistici con i possibili tassi di produzione rapportati con un potenziale aumento della domanda di litio presentano spesso aree di palese incertezza.

Quello che sembra chiaro, in una prospettiva più a lungo termine, è che i modelli fino al 2050, prevedono che domanda di litio per veicoli superi di gran lunga la nostra più ottimistica ipotesi di produzione. Se 100 milioni di veicoli elettrici venissero prodotti ogni anno usando batterie al litio le riserve si esaurirebbero in pochi anni. Tuttavia, essendo proiezioni molto lontane nel tempo, si ipotizza che nel frattempo possano essere studiate e sviluppate altre tecnologie alternative sulle batterie.

Anche il litio quindi, come il nichel, il cobalto e molti dei minerali necessari alle tecnologie per il raggiungimento degli obbiettivi di Parigi è una risorsa limitata a causa di restrizioni geologiche, tecniche ed economiche. La concentrazione di litio metallico sembra diminuire, il che potrebbe rendere più costoso e difficile l'estrazione di litio in futuro e per consentire una transizione verso una flotta di automobili basato sull'energia elettrica, dovrebbero essere pensati e sviluppati anche altri tipi di batterie. Sicuramente in questo scenario il riciclaggio avrà un ruolo determinante.

Poiché l'estrazione è in definitiva limitata dalla quantità di minerali presenti nella crosta con sufficiente concentrazione, è importante identificare disponibilità di materie prime in termini di riserve e risorse. Secondo l'USGS (United States Geological Survey), risorse (RES) sono concentrazioni di materiali naturali presenti sulla Terra crosta in tale forma che l'estrazione economica è attualmente o potenzialmente fattibile. Le riserve (RSV) a loro volta sono la porzione di risorse che può essere estratta o prodotta economicamente al momento della determinazione. Le cifre delle riserve sono quindi inferiori alle risorse e più dinamiche, d’altro canto le risorse identificate possono essere riclassificate come riserve quando i prezzi delle merci aumentano o quando si verifica una diminuzione dei costi di produzione.

Sulla base di quanto esposto si possono fare alcune considerazioni previsionali : se non cambia nulla, la domanda supererà la produzione entro 20 anni : per il cobalto è probabile entro il 2030 e per il nichel entro il 2037 o prima.

I governi ed i produttori automobilistici prevedono che da 10 a 20 milioni di auto elettriche verranno prodotte ogni anno entro il 2025. Se ogni batteria per auto elettrica richiede 10 kg di cobalto, entro il 2025, i veicoli avrebbero bisogno di 100.000–200.000 tonnellate di cobalto all'anno : più della produzione complessiva attuale. Allo stesso modo, sarebbero necessarie 400.000-800.000 tonnellate di nichel all'anno, o l’equivalente del 20–40% di tutto il metallo utilizzato oggi. Più a lungo termine e cioè entro il 2050, occorrerebbe produrre da 50 a 80 milioni di veicoli elettrici all'anno cioè 500.000–800.000 tonnellate di cobalto. Oltre il 2030, questo supererebbe di gran lunga la capacità dell'attuale estrazione mineraria. Analogamente, per il nichel sarebbero necessarie estrazioni pari a 2-3 volte in più dell’attuale produzione : la carenza di nichel diventerebbe evidente entro il 2035.

Su queste considerazioni gravano inoltre le eventuali problematiche sulla resilienza della catena di approvvigionamento. La maggior parte delle miniere si trova in luoghi inospitali, quindi l'esposizione ad eventi meteorologici estremi non sono rari e logicamente vanno programmati "tempi morti" nei piani di produzione. Quando un evento estremo imprevisto causasse un impatto prolungato, gli amministratori della miniera potrebbero esercitare una clausola di “forza maggiore” che gli consente di interrompere le attività estrattive e conseguentemente le consegne contrattualmente previste. È importante sottolineare che, se gli eventi estremi non fossero più considerati inaspettati, a causa delle previsioni sui cambiamenti climatici, gli amministratori potrebbero, per garantirsi da mancate consegne e proteggersi da richieste di indennizzi, aumentare il prezzo di immissione del materiale sul mercato. Queste considerazioni portano alla necessità di attente valutazioni della vulnerabilità della catena di approvvigionamento al fine di identificare potenziali aree di rischio al fine di permettere una attenta gestione ed organizzazione di piani di emergenza. Tuttavia, la valutazione del clima e delle conseguenti vulnerabilità non sono un processi di gestione del rischio "semplice", richiedono l'uso tecnologie costose per identificare l'intervallo e probabilità di potenziali minacce o delle opportunità future.

Queste considerazioni previsionali sono spesso basate su modelli matematici e su algoritmi statistici e va considerato che molte informazioni, soprattutto in ambito geologico, per quanto attiene alle risorse minerarie, costituiscono un asset per le società di prospezione e pertanto non sempre sono disponibili e costituiscono una delle variabili che influenzano questi modelli. Analogamente situazioni geopolitiche possono influire sulla disponibilità all'estrazione o l'accesso a determinate aree del pianeta e conseguentemente modificare le condizioni su cui sono stati sviluppati gli algoritmi.

E' facile intuire che di eventi come questi ce ne possono essere molti e pertanto diventa sempre più evidente, per garantire un futuro "green", la necessità di innovazioni tecnologiche , una per tutte lo sviluppo di batterie libere da cobalto e nichel, che permettano di sviluppare tecnologie che non comportino asservimenti o dipendenze da situazioni che potenzialmente possono diventare monopolistiche. Non sono infrequenti le preoccupazioni manifestate in più ambiti per il monopolio della Cina nella catena di approvvigionamento delle terre rare che, a buon ragione, continuano a crescere anche se fino ad oggi tali preoccupazioni non si sono concretizzate in azioni che possano cambiare lo stato delle cose.

Anche perchè esistono altri quesiti su cui le risposte sono tutte da scrivere : il ricambio della batteria del veicolo ed il suo smaltimento ? Quali sono i costi ecologici dell’elettronica e degli altri oggetti di cui questi nuovi veicoli ? Esistono stime dell'energia necessaria per costruire le reti e le centrali elettriche necessarie a sostenere questo cambiamento ?

 

Giovanni Brussato

 

Riferimenti :

Climate change and sustainability as drivers for the next mining and metals boom: The need for climate-smart mining and re cycling
Jane H. Hodgkinsona, Michael H. Smithb - Australian National University

China's domestic and foreign influence in the global cobalt supply chain
Andrew L. Gulley, Erin A. McCullough, Kim B. Shedd
National Minerals Information Center, U.S. Geological Survey, USA

Material bottlenecks in the future development of green technologies
Alicia Valeroa,Antonio Valerob, Guiomar Calvob, Abel Ortegoa
CIRCE – Centre of Research for Energy Resources and Consumption, Spain
Universidad de Zaragoza, Spain

Ten years left to redesign lithium-ion batteries
Rivista Nature
Kostiantyn Turcheniuk, Dmitry Bondarev, Vinod Singhal, Gleb Yushin

Learning only buys you so much: Practical limits on battery price reduction
I-Yun Lisa Hsieha ¹ , Menghsuan Sam Panb²,Yet-Ming Chiangb², William H. Greena¹
1 -Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, United States
2 -Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, United States

Lithium availability and future production outlooks
Hanna Vikström, Simon Davidsson, Mikael Höök
Global Energy Systems, Department of Earth Sciences, Uppsala University, Sweden